細(xì)菌無處不在，不僅在浴室或廚房的柜臺(tái)里，而且在我們的身體里，包括通常微生物群落繁盛的腫瘤。這些“微生態(tài)”可以抓住癌癥藥物治療的關(guān)鍵，多了解它們有助于開發(fā)新的救命療法。
當(dāng)同一系統(tǒng)中有不同的細(xì)菌菌株時(shí)會(huì)發(fā)生什么？它們共存嗎？最強(qiáng)的能活下來嗎？在用剪刀、石頭和布進(jìn)行的微生物游戲中，圣地亞哥加州大學(xué)生物電路研究所的研究人員找到了一個(gè)令人驚訝的答案。他們的發(fā)現(xiàn)名為“大腸桿菌菌株間非傳遞不對(duì)稱相互作用中最弱的存活”，發(fā)表在最新版的《自然通訊》上。
研究團(tuán)隊(duì)由生物工程和分子生物學(xué)教授杰夫海斯特組成。生物工程研究生邁克爾廖和阿里安娜米亞諾；還有生物工程專業(yè)的本科生阮兒。他們?cè)O(shè)計(jì)了三種大腸桿菌菌株，這樣每種菌株都能產(chǎn)生一種毒素，這種毒素可以殺死另一種菌株，就像剪刀和石頭布一樣。
當(dāng)被問及如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，海斯蒂評(píng)論道：“在合成生物學(xué)中，復(fù)雜的基因回路通常以細(xì)菌在混合良好的液體培養(yǎng)物中生長為特征。然而，許多應(yīng)用涉及表面細(xì)胞生長的限制。我希望了解當(dāng)相互作用的物種在更接近細(xì)菌可能在人體內(nèi)定居的環(huán)境中生長時(shí)，小規(guī)模工程生態(tài)系統(tǒng)的行為?！?
研究人員將三個(gè)種群混合在一起，讓它們?cè)谝粋€(gè)盤子里生長幾周。當(dāng)他們回頭看時(shí)，他們注意到在許多實(shí)驗(yàn)中，相同的種群會(huì)占據(jù)整個(gè)表面，但它不是最強(qiáng)的(毒素最有效的菌株)。他們對(duì)這一結(jié)果的可能原因感到好奇，于是設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來揭示游戲中隱藏的動(dòng)態(tài)。
有兩種假設(shè)：要么中間人口(因?yàn)樽顝?qiáng)的人會(huì)攻擊它的壓力而被稱為“最強(qiáng)的敵人”)會(huì)贏，要么最弱的人口會(huì)贏。他們的實(shí)驗(yàn)表明，令人驚訝的是，第二個(gè)假設(shè)是正確的：最弱的人總是接管盤子。
回到剪刀和石頭布的比喻，如果我們假設(shè)大腸桿菌的“石頭”菌株有最強(qiáng)的毒素，它會(huì)很快殺死“剪刀”菌株。因?yàn)榧舻稇?yīng)變是唯一能殺死“紙”應(yīng)變的應(yīng)變，所以紙應(yīng)變現(xiàn)在沒有敵人了。在一段時(shí)間內(nèi)，你可以自由而緩慢地吃掉巖株，但巖株無法自衛(wèi)。
為了找出這一現(xiàn)象背后的機(jī)制，研究人員還開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可以從各種模式和密度開始，模擬三個(gè)種群之間的戰(zhàn)斗。該模型可以用常見的空間模式(如條紋、孤立簇和同心圓)顯示細(xì)菌在各種情況下的行為。只有當(dāng)應(yīng)變最初以同心環(huán)的形式分布并且在中間最強(qiáng)時(shí)，最強(qiáng)的應(yīng)變才有可能接管板。
據(jù)估計(jì)，人體內(nèi)的微生物數(shù)量超過人體細(xì)胞數(shù)量10比1，有幾種疾病被歸因于各種微生物群落的不平衡。腸道菌群失調(diào)與多種代謝和炎癥疾病、癌癥甚至抑郁癥有關(guān)。設(shè)計(jì)能夠長期共存的平衡生態(tài)系統(tǒng)的能力可能會(huì)為合成生物學(xué)家和新的醫(yī)療保健方法帶來令人興奮的新可能性。海斯特團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的研究可能有助于為有朝一日改造健康的合成微生物群奠定基礎(chǔ)，該微生物群可用于輸送活性化合物來治療各種代謝疾病或疾病和腫瘤。
研究副總裁桑德拉布朗(Sandra Brown)表示：“將分子生物學(xué)與生物工程技術(shù)相結(jié)合，使得發(fā)現(xiàn)有可能改善全世界人民的健康。如果他們不合作，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可能永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。這是加州大學(xué)圣地亞哥分校多學(xué)科研究力量的另一個(gè)證明。”
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